科學推理發(fā)展物理思維能力

楊驥

摘要：科學思維能力是物理學科的核心素養(yǎng)之一，而科學推理則是科學思維的一個重要體現(xiàn).科學推理是指能夠靈活地運用歸納、類比以及演繹三種推理方法，根據(jù)物理實驗現(xiàn)象以及現(xiàn)實數(shù)據(jù)對物理概念、規(guī)律以及應(yīng)用方法進行推理分析，是一種十分重要的物理思維能力.科學推理能力的培養(yǎng)不僅可以加強學生對物理知識的理解，還能夠提升物理知識遷移應(yīng)用的能力，因此如何在教學過程中滲透科學推理思維具有重要的研究意義.

關(guān)鍵詞：高中物理;科學推理;思維能力;核心素養(yǎng)

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2022）03-0083-03

物理是一門十分注重邏輯思維并且十分需要科學推理的學科，只有通過科學邏輯的推理才能夠?qū)ξ锢砀拍钜约拔锢硪?guī)律有深刻直觀的理解，能夠清晰地把握各種自然現(xiàn)象背后所涉及的物理學規(guī)律，能夠在實際應(yīng)用中結(jié)合應(yīng)用場景聯(lián)系到物理方法.因此，教師應(yīng)該在教學過程中注重加強對學生科學推理能力的培養(yǎng)，善于通過實驗、數(shù)據(jù)分析、反向推理、等效替換等形式來提高學生的科學推理能力，進而滲透物理核心素養(yǎng)，不斷提升高中物理課的教學質(zhì)量.

1 動手實驗，形成知識表象

在物理學習過程中最先接觸的就是各種各樣的現(xiàn)象，之后才會通過感知、知覺等得到的表象推理得出對應(yīng)物理知識概念，動手實驗和現(xiàn)象觀察正是科學推理的出發(fā)點，同時實驗也是物理學科的核心內(nèi)容之一.因此，教師應(yīng)該著重加強實驗教學，引導同學們在動手實驗的過程中感知所出現(xiàn)的現(xiàn)象，將這些現(xiàn)象在腦海中形成知識表象，完成物理知識概念的推理.

比如，在講解“光的偏振”這一小節(jié)時，為了加深同學們對于光的偏振原理的理解，把握這一概念形成的過程，在課堂上通過動手實驗展開教學.在課堂上首先請同學們利用手中的兩片偏振片進行實驗，觀察在轉(zhuǎn)動兩個偏振片時所透過的光強度有什么變化.在動手實驗中同學們發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)動其中一片時，通過的光強會在某一點完全消失，而在與這一個角度相差九十度的地方會達到最強，此時完成了實驗想象的感知.之后對自然光的波動方向和偏振片的原理進行講解，同學們這才恍然大悟，原來光通過第一片時由于只有一個震動方向可以通過，因此全方向的自然光就變成了偏振光，而另一片在轉(zhuǎn)動過程中會與第一片的偏振方向由重合到垂直不斷變化，所以就出現(xiàn)了最后光強由低到高又到低的變化趨勢.在這個過程中，學生能更直觀地了解到振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振的物理概念，教學效果較好.

2 分析數(shù)據(jù)，探索隱性規(guī)律

數(shù)學與物理是具有較強聯(lián)系性的兩門學科.物理是一門嚴謹?shù)膶W科，諸多物理規(guī)律都是通過公式數(shù)字的方式給出的，同樣的物理規(guī)律的探索也離不開對數(shù)字的分析.只有對實驗數(shù)據(jù)深入分析，探索其中隱含的數(shù)字規(guī)律，學生才能更好地推理得出相應(yīng)的物理規(guī)律.因此，教師在教學中要引導學生對實驗數(shù)據(jù)深入分析，探索數(shù)字之間在某一特定條件下具有的相等、倍率等數(shù)學關(guān)系，從而推理得出物理結(jié)論.

數(shù)學是物理研究的工具和手段.物理現(xiàn)象中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)當中隱含著現(xiàn)象背后所對應(yīng)的物理規(guī)律，對數(shù)據(jù)進行分析是直觀地探索現(xiàn)象背后隱含物理規(guī)律的有效方法，同時在分析數(shù)據(jù)的過程中還可以加強學生應(yīng)用物理知識解決實際問題的能力.同時，學生對于數(shù)據(jù)的分析還非?？简瀸W生的數(shù)學計算能力及對數(shù)學公式與原理的應(yīng)用，有利于加強數(shù)學與物理學科的融合，促進學生的全面發(fā)展.

3 反向歸謬，改變已有條件

物理是一門實驗科學，許多的物理結(jié)論和規(guī)律都是在大量的實驗基礎(chǔ)上歸納得出的，應(yīng)用反向歸謬的思維方式，不斷的改變已有的實驗條件去驗證自己的猜想正是物理學科的獨特魅力.因此，教師在教學中要引導學生仔細分析實驗條件及對應(yīng)現(xiàn)象，并進行反向歸謬針對自己的猜想改變以有條件進行驗證，切實地幫助學生掌握這一物理思維方式，提高其科學推理能力.

比如，在講解“牛頓第二定律”這一部分的內(nèi)容時，教師要引導學生注意在這一實驗中需要改變的條件有兩個，分別是拉動小車力的大小和小車的質(zhì)量，引領(lǐng)同學們結(jié)合自己的猜想對兩種變量進行控制，通過改變條件測定在相同力不同質(zhì)量以及相同質(zhì)量不同力的多種情況下加速度的大小.最后通過對試驗數(shù)據(jù)進行定量分析，同學們得出結(jié)論小車運動的加速度a=Fm，其中F表示小車受到的在運動方向的力的大小，順利探索得出牛頓第二定律的知識內(nèi)容.

在物理教學中單一的知識點講解很難引起學生的共鳴，更有效地方法是引導學生在實驗中自己探究得出結(jié)論.因此，教師應(yīng)該結(jié)合教學內(nèi)容不斷改進創(chuàng)新與優(yōu)化教學方式，充分地開展實驗教學，引導同學們不斷地對實驗現(xiàn)象和條件進行反向歸謬，歸納總結(jié)不同條件下的實驗數(shù)據(jù)，推理得出對應(yīng)的結(jié)論.

4 類比應(yīng)用，獲得具體方法

類比應(yīng)用是物理學科當中經(jīng)典的推理方法之一，它是指根據(jù)兩個或兩類對象有部分屬性相同，從而推出它們的其他屬性也相同的推理，這種推理方法也是解決問題過程中開拓思路的一種主要途徑.

比如，在講解“電勢差與電場強度的關(guān)系”這一小節(jié)時，在課前為了幫助同學們更清晰地感受到電勢與電場力做功的關(guān)系，首先讓同學們回憶在學重力勢能相關(guān)知識點時重力勢能和重力做功之間的關(guān)系，之后類比到電場當中去.同學們首先想到在重力場中兩個不同高度位置處的重力勢能差就等于從高處下落到低處時重力所做的功，也就是說重力勢能Ep=mgh，其中h為兩點之間的高度差.將這一結(jié)論與電場相關(guān)知識進行類比，同學們會由此進行聯(lián)想并推導得出結(jié)論，在勻強電場中，兩點之間的電勢差等于電荷在兩點之間移動時電場力所做的功，公式表達為W=FL=qEd，其中q為電荷帶電量，E為電場強度，d表示兩點之間的距離.通過這樣的方式，學生不僅通過類比推理得出了電勢差與電場強度的關(guān)系，還回顧了重力勢能的相關(guān)知識點，加深了知識印象，教學效果較好.

通過類比的方法可以將已經(jīng)學過的知識遷移到與之類似的新知識當中，這樣不僅可以加快新知識教學中的基本原理導入，還能夠使學生在類比探究得出結(jié)論的過程中獲得更滿足的學習體驗.

5 得出結(jié)論，建立認知模型

模型建構(gòu)是物理科學推理思維的另一種不可或缺的方法，通過建構(gòu)模型可以實現(xiàn)各部分知識點的歸納，將問題條件進行抽象得到一種統(tǒng)一的模型表達，之后學生就可以借助模型對問題進行分析，對知識點獲得更加全面的認知.因此，教師在教學過程中不能局限于單一知識的講解，而應(yīng)該抽象得出結(jié)論，建立認知模型，培養(yǎng)學生利用模型進行推導分析的能力.

比如，在講解“簡諧運動”這一小節(jié)時，由于學生在生活中經(jīng)常聽到“振動”這個詞匯，這樣的運動形式在生活中非常常見.在探究的過程中同學們發(fā)現(xiàn)無論是鐘擺還是彈簧運動中都具有以下三個特征：物體只受到一個力的作用;物體的運動具有周期性;運動存在一個中心點，在遠離中心點時物體受到阻礙運動的力.結(jié)合以上三點結(jié)論引導學生建立簡諧運動的物理認知模型，在遇到相似問題是就可以依據(jù)模型依次對照問題條件是否滿足模型當中的幾個結(jié)論，從而快速地對問題進行定性認知分析.

可見，對多個案例進行分析總結(jié)得出其中含有的共同結(jié)論，從而實現(xiàn)認知模型的構(gòu)建是一種行之有效地科學推理方法，不僅可以是學生對相關(guān)結(jié)論有更深刻地理解，還能助力同學們掌握一種快速求解問題的方法，提升自己的物理推理思維能力.因此，教師要善于將案例分析與模型建構(gòu)的教學方法結(jié)合起來，幫助學生提升物理學習能力與解題能力.

6 等效替換，尋找最優(yōu)途徑

等效替換法在力的合成與分解、運動的合成與分解、等效場、等效電源等知識點及物理題目中的應(yīng)用比較廣泛，它指的是學生可以在保證在保證效果、特性或關(guān)系相同的前提下，把陌生、復雜的物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為簡單、熟悉的物理現(xiàn)象，這往往可以起到優(yōu)化解題的作用效果.

例如，物理題目是這樣的：由消防水龍帶的噴嘴噴出水的流量是0.28 m3/min，水離開噴口時的速度大小為16 m/s，方向與水平面夾角為60°，在最高處正好到達著火位置，忽略空氣阻力，則空中水柱的高度和水量分別是（重力加速度g取10 m/s2）（）.

A.28.8 m;1.12×10-2 m3B.28.8 m;0.672 m3

C.38.4 m;1.29×10-2 m3D.38.4 m;0.776 m3

要想解答這道題目，關(guān)鍵點在于學生如何理解與轉(zhuǎn)化消防水龍帶的噴嘴噴出水柱這一生活現(xiàn)象，對于傾斜向上的水柱，學生可以等效替換為平拋運動，正確答案為A選項.

也就是說，等效替換法的核心是“等效”，基本思路是用已知的、簡單的物理效果來替代另一個未知的、較難的、復雜的物理效果，以此來達到化難為易的作用效果.學生在學習很多物理概念與原理時需要用到物理模型，在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上學習與理解更復雜的物理知識，這其實體現(xiàn)的也是等效變換的思想.因此，教師要幫助學生從龐雜的高中物理知識體系中歸納、篩選出可變換的物理模型，讓學生學會應(yīng)用等效替換法來降低問題的難度，促進學生科學推理能力與發(fā)散性思維能力的良好發(fā)展.

綜上所述，科學推理能力是物理學科重要的核心素養(yǎng)之一，在教學過程中滲透與強化科學推理能力是培養(yǎng)學生的自主探究能力，提高課堂教學效率的有效手段.因此，教師在教學過程中要有針對性地開展科學推理能力的指導，幫助學生掌握模型建構(gòu)、歸納總結(jié)、類比分析等推理方法，以此來發(fā)展學生的物理思維能力，并為培養(yǎng)與提升學生的高中物理核心素養(yǎng)奠定堅實的基礎(chǔ).

參考文獻：

[1]李進，楊帆.中學物理演示實驗資源的開發(fā).物理之友，2016，32（10）：27-29+31.

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